DE3621445A1 - Verfahren und vorrichtung zum foerdern eines gasfoermigen mediums, insbesondere zum aufladen von hubkolben-brennkraftmaschinen, wie dieselmotoren, ottomotoren u.a. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Durchführen dieses Verfahrens zum Fördern eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Aufladen von Hubkolben- Brennkrafmaschinen, wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a., wobei das Medium der Atmosphäre entnommen, einer Verdichtung unterzogen und anschließend entsprechend vorgegebener Fülltak­ te einer Vermischung mit einem Kraftstoff, wie auch einer darauf folgenden Verbrennung mit diesem zugeführt wird, und bei welchen Verfahren die Menge des pro Fülltakt der Vermischung zuzuführenden Mediums von der Öffnungszeit einer vom Fülltakt bestimmten und der Vermischung vorgeschalteten Einlaßphase, insbesondere in Abhängigkeit eines Sollwertes, bestimmbar ist.

Es ist allgemein bekannt daß insbesondere Verbrennungsab­ läufe zwischen gasförmigen Medien, wie Luft und fossilen Brennstoffen, wie Benzinen, Dieselkraftstoffen, pflanzli­ chen Ölen u.a., besonders dann mit einem hohen Wirkungsgrad bei geringen Schadstoffemissionen ablaufen, wenn zum einen eine stöchiometrische Vermischung der zu verbrennenden Be­ standteile vor deren Verbrennung vorgenommen wird und wenn zum anderen für die Vermischung hohe kinetische Energien der sich mischenden Medien aufgebaut werden, um den Misch­ vorgang in einer möglichst sehr kurzen Zeitspanne durchfüh­ ren zu können. Verbrennungsabläufe mit diesen Charakteristi­ ken werden zwar überall, wo Verbrennungsvorgänge ablaufen gefordert, sie sind aber vielfach unerläßlich bei solchen Verbrennungsvorgängen, wie sie beispielsweise bei Hubkolben- Brennfkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a., mit kurzen Arbeitstakten zwischen Luftansaug, Vermischung, Verbrennung und Ausschub der Brennrückstände, ablaufen.

Die zunehmende Verknappung, insbesondere fossiler Kraftstof­ fe, einerseits und die zunehmende Belastung der Umwelt mit Rückständen aus solchen Verbrennungen andererseits, zwingen die Hersteller und Anwender von Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a., der Optimierung des Verbren­ nungsablaufes eine größere Bedeutung als bisher beizumessen.

Untersuchungen haben wiederholt bestätigt, daß Verbrennungs­ abläufe solcher Art verbessert werden können, wenn die zu verbrennenden Kraftstoff-Luftbestandteile vorher stöchiome­ trisch vermischt und der Verbrennungsablauf, gegebenenfalls mit geringem Luftüberschuß, in der Brennkammer ablaufen könnte. Zu diesem Zweck ist es auch bekannt, der bzw. den Brennkammern einer Brennkraftmaschine einen sogenannten Aufla­ der zuzuordnen und die für den Verbrennungsvorgang erforder­ liche Menge an gasförmigen Medium, z.B. atmosphärische Luft, mittels dieses Aufladers in die Brennkammer einzubringen.

Bekannte Auflader dieser Art bedienen sich besonders ausge­ legter Lüfterräder, die vielfach im Ansaugstrom einer Brenn­ kraftmaschine vorgesehen und dort das zu verbrennende Me­ dium, z.B. die Luft, von außen nach innen in die Brennkammer fördern. Die Lüfterräder, die als Axial- oder Radialturbinen ausgeführt sein können, sind im Förderstrom zur Brennkammer so angebracht, daß sie möglichst verlustarm größere Gasvolu­ mina fördern können. Zu diesem Zweck sind solche Axial­ oder Radialturbinen mit Saug- und Druckstutzen, wie auch einer Verdichtungszone versehen, so daß eine in diese ge­ langene Gasmenge durch den Ansaugstutzen eintritt, in der Verdichtungszone auf das geforderte Maß verdichtet und an­ schließend über den Druckstutzen in den Ansaugstutzen der Brennkammer gefördert wird, aus welchem Ansaugstutzen dieses verdichtete Gas als Brenngas der Vermischung mit dem Kraft­ stoff zugeführt wird.

Ein bekanntes und am weitesten verbreitetes Lüfterrad dieser Art ist als sogenannter Abgasturbolader ausgeführt, und be­ steht dabei aus zwei auf einer gleichen Welle sitzenden Turbinen, von denen die eine der Förderung der für den Ver­ brennungsablauf erforderlichen Gasmenge, z.B. Luft, und die andere Turbine dem Antrieb dieser ersten Turbine dient. Beide Turbinen sind in eigenen Gehäusen drehbar gelagert, und es ist jedes Gehäuse mit jeweils einem eigenen Ansaug­ und Druckstutzen versehen, wobei der Ansaug- und Druckstutzen der treibenden Turbine mit dem Rohrsystem der Abgasabführung und der Ansaug- und Druckstutzen der getriebenen Turbine mit dem Rohrsystem der Gaszuführung zur Brennkraftmaschine verbunden ist. Bei dieser Turbine wird die kinetische Ener­ gie des Abgases für den Antrieb der getriebenen Turbine ausgenutzt, so daß diese Turbine entsprechend der Drehzahl der treibenden Turbine die benötigte Gasmenge bzw. Luft­ menge in die Vermischung, d.h. Brennkammer, fördert.

Bei diesem System ist eine optimale Versorgung der Brenn­ kammern mit Brenngas nur dann möglich, wenn nach Erreichen der optimierten Drehzahl der getriebenen Turbine und deren Füllmenge diese nicht mehr verändert werden. Diese Forderung ist aber bei Brennkraftmaschinen mit sich ständig ändernden Lastwechseln nicht erfüllbar, da mit jeder Änderung der Dreh­ zahl der treibenden Turbine auch eine Änderung der Drehzahl und damit auch eine Änderung der Füllmenge der getriebenen Tur­ bine eintreten, was bewirkt, daß die getriebene Turbine stets mit einer entsprechenden Verzögerung den Änderungen der trei­ benden Turbine folgt. Solche Änderungen führen bei Brennkraft­ maschinen, wie sie beispielsweise im Straßenverkehr, wo stän­ dig Drehzahländerungen hingenommen werden müssen, verwendet werden, zum chronischen Luftmangel in den unteren Drehzahl­ bereichen und zu überhöhten Luftüberschüssen in den oberen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine, so daß diese Maschine nur in einem ganz engen Drehzahlbereich eine ausreichende Luft­ menge für den Verbrennungsablauf erhält. Diese Unzulänglichkei­ ten in der Optimierung der der Verbrennung zuzuführenden Luft­ menge, d.h. des Liefergrades, im unteren Drehzahlbereich führen zu einer unvollständigen Vermischung und Verbrennung der Kraft­ stoff-Luftgemische mit den bekannten Abgasemissionen, wie Ruß, Schwarz- oder Blaurauch, erhhöhtem Kraftstoffverbrauch, gering­ erer Leistung und giftigen Abgasen, wie Kohlenwasserstoffen (CH), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxyden (NO _X ) u.a.m., und sie führen im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine wiederum zu Luftüberschüssen, die eine Überhitzung des Materials der Brennkammer und hier insbesondere deren Leichtmetallteile, wie Zylinderkopf, Kolben u.a., bewirken. Die Überhitzung dieser Materialteile führt auch zu einem erhöhten Ölverbrauch als auch zu einer intensiveren Kühlung, die auf Kosten der Wirtschaftlichkeit der Brennkraftmaschine gehen (vgl. "Auflade­ gruppen" aus Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 2. Bd. 1966, S. 379).

Es ist ferner ein Auflader für Brennkraftmaschinen bekannt, der nach Art eines Zellenrades ausgeführt ist und dessen Zellen auf einer Walze angebracht sind, die von einem Gehäuse mit Saug- und Druckstutzen umschlossen bleiben. Die einzel­ nen Zellen sind konzentrisch um die Welle des Aufladers angeordnet und zwischen sich so unterteilt, daß diese mit deren Kammern parallel zur Welle verlaufen. Die Welle selbst ist aus dem Gehäuse herausgeführt und über einen Riementrieb am Abtrieb einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ange­ schlossen. Die zum Gehäuse führenden Saug- und Druckstutzen für Abgas und Frischluft sind an diesem überwiegend axial angeschlossen, so daß das Abgas, welches in die Zellen ein­ tritt, eine axial zur Zelle verlaufende Druckwelle erzeugt. Diese Druckwelle bewegt sich durch die jeweilige Zelle so­ lange, bis sie auf eine, in der gleichen Zelle sich befin­ denden Frischluft stößt. Diese Frischluft, die durch den Saugstutzen in die gleiche Zelle gelangt war, wird durch das Abgas aus der Zelle in den Druckstutzen für Frischluft, der wiederum mit dem Saugstutzen der Brennkraftmaschine verbunden ist, verdrängt. Das Abgas, welches nach Verdrängen der Frischluft aus der Zelle seine Energie überwiegend ver­ loren hat, wird durch die neu in die gleiche Zelle einströ­ mende Frischluft aus der Zelle in den Druckstutzen des Ab­ gassystems verdrängt. Diese Spielwechsel von Ansaug von Frischluft und Abgas und Auspressen derselben aus den Zel­ len erfolgen im Rhytmus der Arbeitstakte der Brennkraftma­ schinen und werden durch den direkten Antrieb der Welle über die Riemenscheibe von der Kurbelwelle entsprechend unter­ stützt. Zwar können mit einem solchen Lader einige Verbesse­ rungen, insbesondere im unteren Drehzahlbereich der Brenn­ kraftmaschine, in bezug auf deren Füllungsgrad durch den direkten Antrieb der Welle des Laders mit der Kurbelwelle erzielt werden, diese Vorteile gehen aber mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine schnell verloren, als es nicht gelingt, in Kürze der Arbeitstakte der Brennkraft­ maschine die ausreichenden Mengen an Frischluft den Zellen zuzuführen, um sie aus diesen durch Einwirkung der Druckwel­ len des Abgases in den Druckstutzen des Laders und von dort wieder in die Brennkammer der Brennkraftmaschine zu pressen. Doch selbst die Verbesserungen im unteren Drehzahlbereich sind besonders in der Start- und Leerlaufphase der Brennkraft­ maschine noch nicht ausreichend, als mangels ausreichender Abgasmengen noch geringe Druckwellen aufgebaut werden kön­ nen, die nicht ausreichen, eine genügend starke, kinetische Energie der Frischluft zu verleihen, wie sie für einen opti­ malen Mischvorgang und Verbrennungsablauf notwendig wäre. Somit deckt dieses System auch nur einen sehr engen Bereich der Aufladung einer Brennkraftmaschine ab und ist zudem nicht geeignet, schnellen Lastwechseln der Brennkraftmaschine mit entsprechend benötigten Liefergraden zu folgen (COMPREX, Prospekt BBC-AG, Baden/Schweiz).

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen des Ver­ fahrens zu schaffen, mit denen die Aufladung einer Brenn­ kraftmaschine unabhängig von deren Lastwechseln und Dreh­ zahlen mit einer den jeweiligen Füllungsgrad des Verbren­ nungsablaufes erforderlichen Gasmenge zu versorgen, und diese Gasmenge zusätzlich nach einer Reihe von erfaßbaren Parametern aufzubereiten, der Verbrennungsablauf mit einer ausreichend hohen kinetischen Energie, wie sie für die stö­ chiometrische Vermischung erforderlich erscheint, zuzuführen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe verfahrensspezifisch mit einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch ge­ löst, daß

• a) vor Einführen einer der jeweiligen Vermischung erforder­ lichen Menge an Medium eine Erfassung und/oder Messung mindestens eines, in der Einlaßphase herrschenden Para­ meters vorgenommen wird.
• b) ein aus dieser Erfassung bzw. Messung ermittelter Wert einer elektronischen Prozeßerfassung und -regelung zuge­ führt wird, und ein dort erhaltenes, elektrisches Signal als Ausgangsgröße für eine Frequenz- und/oder Spannungs­ regelung dient.
• c) entsprechend der Größe dieses Signals eine elektrische Energieversorgung regelbar und diese Versorgung auf den erforderlichen Energiebedarf für die Förderung des Me­ diums ansteuerbar ist und
• d) der Energiebedarf für die Förderung des Mediums in Ab­ hängigkeit vom Fülltakt regelbar und auf das Maß der Aufbereitung des Mediums, entsprechend festgelegter Para­ meter, einstellbar ist.

Vorrichtungsspezifisch wird dieses Verfahren mit einer Vor­ richtung, bestehend aus mindestens einer der Förderung und/ oder Verdichtung des Mediums dienenden und mit einem Antrieb versehene Luftförderorgan z.B. Turbine, welches sowohl mit einem Ansaug- als auch einem Druckstutzen für das Einführen und Ausführen des Mediums ausgestattet und welches über dessen Druckstutzen mit dem als Einlaßphase ausgebildeten Ansaugstutzen einer in die Vermischung mündenden Kammer verbunden ist, in der Weise gelöst, daß

• a) der Antrieb des Luftförderorgans als ein spannungs- und/ oder frequenzgesteuerter und/oder geregelter Motor aus­ geführt ist,
• b) dieser Motor des Luftförderorgans über einen spannungs­ und/oder frequenzgesteuerten Umformer mit elektrischer Energie versorgbar ist,
• c) für die elektrische Energieversorgung des Umformers ein frequenzvariabler Generator angeschaltet und dieser vom Verbrennungsmotor antreibbar ist,
• d) im Ansaugstutzen vor der in die Vermischung mündenden Kammer eine Meßsonde für die Erfassung mindestens eines Parameters vorgesehen ist, hingegen für die Erfassung weiterer Parameter zur Optimierung des Füllungsgrades der Verbrennungskammer, insbesondere entsprechend dem jeweiligen Fülltakt, weitere Signalaufnehmer, so etwa für Druck, Temperatur, Luftfeuchte, Luftdichte u.a., als weitere Sonden der Prozeßregelung zugeordnet sind.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst, sondern es wird eine Möglichkeit geschaffen, die Dosierung einer der Verbrennung zuzuführenden Gasmenge nach einer Reihe von erfaßbaren Parametern zu regeln. So kann beispiels­ weise die Dosierung der für den Verbrennungsablauf erforder­ lichen Gasmenge, d.h. der Ansaugeluft, nach deren Feuchte, Dichte, Temperatur und anderen Eigenschaften, in deren Menge und Konsistenz festgelegt werden, und es kann zudem, um eine intensive Mischung der Verbrennungsluft mit dem in der Brennkammer einzubringenden Krafstoff zu erreichen, diese Verbrennungsluft mit einer solchen Geschwindigkeit in die Brenn­ kammer eingebracht werden, daß durch eine entsprechende Tur­ bolenz die einzelnen Luftbestandteile sich stöchiometrisch zu mischen vermögen. Bei Brennkraftmaschinen, die einen hohen Drall der Verbrennungsluft in der Brennkammer für den Mischef­ fekt erfordern, kann die Geschwindigkeit der in die Brennkam­ mer einströmende Verbrennungsluft so gesteigert werden, daß mit Sicherheit innerhalb des Arbeitstaktes sowohl die Ver­ mischung der Luftbestandteile mit dem Kraftstoff erfolgen kann, als auch ein Luftpolster in der Brennkammer selbst, selbst nach abgeschlossenem Verbrennungsablauf, noch erhal­ halten bleibt, um etwaige schädliche Abgasmengen noch vor Austritt in das Auspuffsystem zu neutralisieren. Damit läßt sich mit einem solchen System die Brennkraftmaschine auch mit einem Luftüberschuß in deren Brennkammer betreiben und dies selbst im unteren Drehzahlbereich, wo die ausreichende Luftmenge außerordentlich entscheidend ist für die Qaualität der Abgase.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil dieser Erfindung kann darin gesehen werden, daß die Vorrichtung optimal dem Ansaug­ system der Brennkraftmaschine zugeordnet werden kann, weil auf die Rohrführung der Abgasleitungen keine Rücksicht ge­ nommen zu werden braucht. Darin kann ein weiterer Vorteil insofern gesehen werden, als auch die in die Brennkammer einzu­ bringende Verbrennungsluft an solchen Stellen in das System eingesaugt wird, die von der Abgaswärme weit genug entfernt sind, so daß eine Aufheizung dieser Verbrennungsluft vor deren Einführung in die Brennkammer unterbleibt. Das Regel­ verhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann nach mehre­ ren Erfordernissen ausgelegt werden, wodurch es möglich wird, unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, die für die optimale Verbrennung erforderlichen Luftvolumina aufzubauen, diese für die Verbrennung aufzubereiten und letztlich diese Volumina der Verbrennung zuzuführen. Die Prozeßregelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einer Reihe von Sonden bestückt werden, so daß die Werte einer Vielzahl von Parametern der Optimierung des Verbrennungsab­ laufes zufließen, und selbst unterschiedliche Qualitäten der Kraftstoffe durch entsprechende mehr oder weniger große Zu­ mischung an Verbrennungsluft vielfach ausgeglichen werden können.

Die spannungs- und/oder frequenzabhängige Regelbarkeit des Antriebes für die Förderung der entsprechenden Gasvolumina, d.h. Regelung des Liefergrades an Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine, läßt eine Regelung der Lutverhältnisse nach mehreren Forderungen zu, so beispielsweise nach Druck­ konstanz, Strömungsgeschwindigkeit in der Anlaßphase konstant, Luftmenge konstant u.a.m. Damit lassen sich Brennkraftma­ schinen stets in einem optimalen Leistungsbereich betreiben, wodurch nicht nur erhöhte Leistungen gewonnen, sondern auch geringere Kraftstoffverbräuche erzielt werden. Ein weiteres und in Verbindung mit der Umwelt sicherlich wesentliches Kri­ terium kann auch darin gesehen werden, daß durch die Steige­ rung der Leistung der Brennkraftmaschine einerseits und die Versorgung derselben mit der ausreichenden Luftmenge ande­ rerseits, diese in einer geringeren Drehzahl als sonst üblich, betrieben werden kann, wodurch eine Reihe von Emissionen, wie Lärm, kritisches Schwingungsverhalten der Brennkraftma­ schine u.a., unterbleiben. Durch die Erhöhung der effektiven Leistung im Zuge der Optimierung des Verbrennungsablaufes ist es auch möglich, das Leistungsgewicht der Brennkraftmaschine zu reduzieren, was insbesondere im Fahrzeugbau eine sehr we­ sentliche Rolle spielen kann.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können insbesondere den verbleibenden Unteransprüchen entnommen werden.

In der Zeichnung ist eine der möglichen Ausführungen der Erfindung schematisch dargestellt, Es zeigt:

Fig. 1 einen möglichen Aufbau einer Vorrichtung am Beispiel deren Anschlusses an eine Hubkolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Diagramm möglicher Füllungsgrade der Brennkraft­ maschine, wobei die Liefergrade unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine konstant gehalten wurden,

Fig. 3 ein Diagramm möglicher Füllungsgrade der Brennkraft­ maschine, wobei diese Liefergrade abhängig vom Fahr­ verhalten der Brennkraftmaschine geregelt sind, und in welchem Diagramm zum Vergleich der Füllungsgrad eines herkömmlichen Abgasturboladers, als Kreuzlinie gekenn­ zeichnet, eingetragen ist,

Fig. 4 ein Diagramm diverser bekannter Laderverläufe aufgetra­ gen über Fahrgeschwindigkeit und Drehmomentanstieg in Bezug auf Drehzahl der Brennkraftmaschine und eines für diese möglichen Liefergrades gemäß der Erfindung, wobei der mögliche, z.B. konstante Liefergrad, hier strichpunktiert in diesem Diagramm eingezeichnet ist und

Wie eingangs erwähnt, ist es bekannt und vielfach auch zwingend notwendig, insbesondere Hubkolben-Brennkraftmaschinen 1, wie Ottomotoren, Dieselmotoren u.a., mit Aufladern 2 auszu­ rüsten, um mittels dieser die Motoren mit einer für deren Leistungsanstieg erforderlichen Luftmenge zu versorgen. In Abkehr von den bekannten Aufladern, die ganz oder teilweise vom Abgas der Brennkraftmaschine 1 angetrieben werden, zeich­ net sich der Auflader 2 gemäß der Erfindung dadurch aus, daß dessen Luftförderorgan 7 z.B. eine Turbine ein Gebläse oder ähnliches, genauer ausgedrückt, dessen luftverdichtendes Organ, von einem elektrischen Motor 4, z.B. einem Dreh- oder Wechsel­ strommotor, angetrieben wird, der seine Stromversorgung von einem Generator 5, z.B. Drehstromgenerator, über einen von diesem gespeisten Spannungs- und/oder frequenzumformer erhält. Motor 4 ist dabei frequenz- und/oder spannungsregelbar ausge­ führt, so daß der Motor mit einer wesentlich höheren Drehzahl betrieben werden kann, als dies bei herkömmlichen, nicht fre­ quenzbetriebenen Wechsel- bzw. Drehstrommotoren der Fall ist. Dies bedeutet, daß der Motor 4, der mit dem Luftförder­ organ 7 verbunden ist, unabhängig von einem vorhandenen Ab­ gas der Brennkraftmaschine 1 betrieben werden kann. Der Ge­ nerator 5 , d.h. der Drehstromgenerator, wiederum, der von der Kurbelwelle 8 der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, erhält bereits beim Starten der Brennkraftmaschine seine Be­ wegungsenergie, die je nach Drehzahl der Kurbelwelle 8 beim Generator 5 sich in entsprechende Drehzahl umsetzt bzw. aus­ wirkt. Durch die Kopplung von Generator 5 mit Umformer 11 b und Motor 4 wird das Luftförderorgan 7 in Umdrehung gebracht,

so daß es auch unmittelbar nach Starten der Brennkraftma­ schine 1 beginnt, eine Luftmenge in den zum Brennraum 9 der Brennkraftmaschine 1 führende Ansaugstutzen 10 bzw. in die Einlaßphase zu fördern. Im Umformer 11 b kann auch der Regler 11 a der Prozeßregelung 3 enthalten sein.

Da aber in der Regel die Drehzahl der Kurbelwelle 8 im Zeit­ punkt des Starts und damit Teillastbereichs der Brennkraft­ maschine 1 noch nicht ausreichend ist, um die für die Verbren­ nung des eingebrachten Kraftstoffes erforderliche Luftmenge zu fördern, wird der Motor 4 durch Änderung dessen Frequenz und/oder Spannung in seiner Drehzahl hochgefahren, wodurch das Luftförderorgan 7 z.B. ein Verdichter, beginnt die erforderliche Luftmenge sofort dem Brennraum 9 zuzufüh­ ren.

Um die Drehzahlregelung des Motors 4 entsprechend dem gefor­ derten Liefergrad durchzuführen, ist dieser Motor an einer Prozeßerfassung und -regelung 11 a angeschlossen, durch die die notwendige Spannung und/oder Frequenz eingestellt wird. Die Prozeßerfassung und -regelung 11 a wird dabei von einem elektronischen Schaltkreis oder einem hierfür besonders prä­ parierten Rechner gebildet, welcher über eine Reihe von Son­ den 12 Signale, wie z.B. Luftdruck, Lufttemperatur, Luft­ dichte, Drehzahl der Brennkraftmaschine, Kraftstoffqualität, Gaspedalstellung u.a.m., erhält, die dann zum benötigten Aus­ gangswert für die Regelung des Motors 4 verknüpft werden. Das Umfunktionieren dieser über die Sonden 12 erfaßten Sig­ nale geschieht in der Weise im Regler 11 a, daß sie mit einem Sollwert, z.B. der idealen Fahrcharakteristik, verknüpft werden, wodurch der erforderliche Regelwert für das Luftför­ derorgan 7 und damit für die Optimierung der Luftmenge er­ mittelt und dieser Wert als Stell-Regelgröße dem Umformer 11 b eingegeben wird. Auf Grund dieser Wertermittlung er­ folgt dann die Regelung des Drehstromgenerators vom Umfor­ mer 11 b eine entsprechende Spannungs- und/oder Frequenzver­ sorgung des Motors 4, wodurch die Drehzahl und damit auch Fördermenge des Luftförderorgans 7 z.B. des Verdichters, be­ stimmt wird.

Die Prozeßerfassung und -regelung 11 a, und der Umformer 11 b können sehr kompakt ausgeführt werden, so daß sie selbst im Bordraum eines Fahrzeuges kaum Raumprobleme aufwerfen dürf­ ten. Auch haben Untersuchungen ergeben, daß für die Optimie­ rung des Verbrennungsablaufes es von Vorteil ist, wenn in al­ len Lastbereichen der Brennkraftmaschine 1 ein gewisser Luft­ überschuß 13 herrschen würde. Dieser Luftüberschuß 13 kann aufgrund der Vorgabe des Sollwertes mittels der Regelung 11 a eingehalten werden.

Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, wirkt die Prozeßerfas­ sung und -regelung 11 a über den Umformer 11 b auf den Motor 4 ein, wobei für die Erfassung der Signale die Sonde 12 am Druckstutzen des Luftförderorgans 7, z.B. oder im Ansaugrohr 10 als auch anderswo an der Brennkraftmaschine 1, deren Um­ feld oder außerhalb des Fahrzeuges angebracht sein können. Die Anordnung solcher Sonden 12 hängt von den zu erfassenden Signalen ab und ist dem Konstrukteur weitgehend überlassen.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß mittels der erfindungsgemäßen Aufladung 2 der Liefergrad bzw. der Füllungsgrad 17 für ver­ schiedene Lastbereiche, d.h. ausgezogen, punktiert, strich­ punktiert, z.B. konstant gehalten werden kann, so daß die Brennkraftmaschine 1 stets die erforderliche Luftmenge, auch unabhängig von der Drehzahl derselben, im Ansaugrohr 10 vorfin­ den kann. Bei dieser Einstellung könnte sich auch ein Sammler 18 im Bereich der Brennräume 9 erübrigen.

Die Fig. 3 soll demonstrieren, daß es mit dem erfindungsge­ mäßen Auflader 2 möglich ist, den Liefergrad 17 entsprechend zu variieren, wobei dieser auch unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 variiert werden könnte. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Konsistenz der für die Verbrennung benötigten Luftmenge unterschiedlich, d.h. zu trocken, zu feucht, zu warm oder zu kalt u.a. ist oder die Kraftstoffqualität eine andere Luftmenge bzw. einen anderen Füllungsgrad 17 für die Optimierung deren Verbrennung erfor­ dert. Die in diesem Diagramm mit Kreuzen gekennzeichnete Li­ nie demonstriert den Füllungsgradverlauf 19 herkömmlicher Ab­ gasturbolader, wobei deutlich wird, daß diese im unteren Dreh­ zahlbereich kaum Luft fördern, im oberem Drehzahlbereich aber so viel, daß abgeblasen werden muß, vgl. schraffiertes Feld 20. Will man in diesem Diagramm für beispielsweise eine Kenn­ linie 17 den tatsächlich benötigten Füllungsgrad 21 darstel­ len, so könnte diese Linie, wie in dieser Figur als Strich­ punkt angegeben, sich knapp unter der zugehörigen Kennlinie 17 (Luftüberschuß 13) bewegen.

Die Fig. 4 zeigt einige Möglichkeiten der Aufladung einer Brennkraftmaschine 1 mit ca. 1,5 Liter Hubraum, jedoch mit unterschiedlichen Abgasturboladern, nämlich Zellenrad (Comprex 22) und Abgas-Luftturbine 23 und der gleiche Lader 23 mit La­ derluftkühlung 29. Aus diesem Diagramm wird deutlich, daß die Liefergrade nebst Drehmomentanstiegen 24 gegenüber einem Saug­ motor 28 im unteren Drehzahlbereich sehr zu wünschen übrig lassen, in oberen Drehzahlbereichen aber abgeregelt, (Falli­ nien 25) werden müssen, um die Brennkraftmaschine 1 nicht zu gefährden. Ein optimaler Liefergrad für alle Lastbereiche der Brennkraftmaschine 1 kann hier also nicht eingehalten werden, weil, bedingt durch die Koppelung von Abgas- und Frischluft­ turbine, diese mit zunehmendem Anfall an Abgas unkontrollier­ bar in Bezug auf deren Liefergrad werden.

Würde man in dieses Diagramm die Funktion des Aufladers 2 ge­ mäß der Erfindung an Hand einer Linie für dessen Füllungsgrad 17 eintragen, so könnte diese Linie nach einem steilen Anstieg 30, beginnend z.B., noch vor einer Drehzahl von 1000 1/min, ihren Höchstwert, z.B. in Höhe des Bestwertes des Zellenrades 22, erreichen und diesen Wert über einen langen Fahrbereich, wenn notwendig, aufrechterhalten, ggf. auch unabhängig vom tatsächlichen Luftbedarf der Brennkraftmaschine 1. Das würde bedeuten, daß der sogenannte "tote Raum" in der Aufladung be­ kannter Lader 22, 23, 29 ausgefüllt werden könnte, so daß der Auflader nicht nach einer Mindestdrehzahl von ca. 2000 1/min, sondern schon viel früher wirken könnte.

Das dem Motor 4, nachgeschaltete Luftförderorgan 7 kann als ein Schaufelradverdichter eine Turbine, ein Rootsgebläse oder ähnliches ausgeführt sein, um bereits bei niedrigen Drehzahlen hohe Luftmengen fördern zu können. Untersuchungen haben indes­ sen ergeben, daß eine Maximaldrehzahl des Motors 4 von ca. 50000 1/min ausreichend ist, die erforderlichen Luftmengen der Verbrennung zuzuführen. Geschwindigkeiten darüber sind nicht unbedingt nötig, weil eine steilere Schaufelanstellung schon bei dieser Geschwindigkeit oft auch darunter, die be­ nötigte Luftmenge fördert.

Für die Funktion der erfindungsgemäßen Aufladung 2 ist es not­ wendig, daß die von der Prozeßerfassung und -regelung 11 a er­ mittelte Spannung und/oder Frequenz zur Einstellung der erfor­ derlichen Drehzahl herangezogen wird, wobei die Drehzahl an der Welle 6 des Luftförderorgans 7 für den erforderlichen Luft­ durchsatz und Druck sorgt.

In den vorerwähnten Ausführungen sind der Generator 5 und der Motor 4 für das Luftförderorgan 7 meistens Dreh- und/oder Wechselstrommaschinen beschrieben. Dies schließt jedoch nicht aus, auch andere Typen von Antrieben bzw. Stromerzeugern zu verwenden. Entscheidend dabei ist für die Wahl solcher Antrie­ be, daß sie nach den Verfahrensschritten insbesondere der die­ ser Anmeldung zugrunde liegenden Ansprüchen betrieben werden können, um den gewünschten Erfolg zu erzielen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Fördern eines gasförmigen Mediums, insbe­ sondere zum Aufladen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, Ottomotoren u.a., wobei das Medium der Atmosphäre entnommen, einer Verdichtung unterzogen und anschließend entsprechend vorgegebener Fülltakte ei­ ner Vermischung mit einem Kraftstoff, wie auch einer dar­ auf folgende Verbrennung mit diesem zugeführt wird, und bei welchem Verfahren die Menge des pro Fülltakt der Ver­ mischung zuzuführenden Mediums von der Öffnungszeit einer vom Fülltakt bestimmten und der Vermischung vorgeschal­ teten Einlaßphase, insbesondere in Abhängigkeit eines Soll­ wertes, bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) vor Einführung einer der jeweiligen Vermischung erfor­ derlichen Menge an Medium eine Erfassung und/oder Mes­ sung mindestens eines, in der Einlaßphase herrschenden Parameters vorgenommen wird,
• b) ein aus dieser Erfassung bzw. Messung ermittelter Wert einer elektronischen Prozeßerfassung und -regelung zu­ geführt wird, und ein dort erhaltenes, elektrisches Sig­ nal als Ausgangsgröße für eine Frequenz- und/oder Span­ nungsregelung dient,
• c) entsprechend der Größe dieses Signals eine elektrische Energieversorgung regelbar und diese Versorgung auf den erforderlichen Energiebedarf für die Förderung des Me­ diums ansteuerbar ist und
• d) der Energiebedarf für die Förderung des Mediums in Ab­ hängigkeit vom Fülltakt regelbar und auf das Maß der Aufbereitung des Mediums entsprechend festgelegter Para­ meter einstellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung elektrisch erfolgt, und daß die Menge der elektrischen Energie frequenzabhängig, ent­ sprechend dem Bedarf an Medium pro Fülltakt, regelbar ist und/oder diese sich danach einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils gewünschte Menge an Medium durch eine Fre­ quenzregelung der das Medium fördernden und/oder verdich­ tenden Mittel erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Prozeß entnommenen Signale zur frequenz- und/oder spannungsabhängigen Einstellung der Förderleistung ein das Medium fördernden Antrieb dienen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderung des Mediums für jeden Fülltakt einer konstant ge­ haltenen Zeit unterliegt, und daß die Menge des pro Zeitkon­ stante zu fördernden Mediums von der Änderung des Spannung­ und/oder Frequenzverlaufes des fördernden Antriebes abhängig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochlauf des das Medium fördernden Antriebes aus dem Stand durch eine Änderung dessen Spannungs- und/oder Frequenzver­ laufes nach vorgegebener Zeitkonstante erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochlauf des das Medium fördernden Antriebes bei Drehzahl­ änderung durch eine Änderung dessen Spannungs- und/oder Fre­ quenzverlaufes nach vorgegebener Zeitkonstante erfolgt.

8. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1, bestehend aus mindestens einer der Förder­ ung und/oder Verdichtung des Mediums dienenden und mit einem Antrieb versehenen Luftförderorgan z.B. Turbine, oder Gebläse, welches sowohl mit einem Ansaug- als auch einem Druckstutzen für das Einführen und Ausführen des Mediums ausgestattet und welches über dessen Druckstutz­ en mit dem als Einlaßphase ausgebildeten Ansaugstutzen einer in die Vermischung mündenden Kammer verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Antrieb des Luftförderungsorgans (7) als ein span­ nungs- und/oder frequenzgesteuerter, und/oder geregelter Motor Drehstrom, Wechselstrom oder Gleichstrommotor aus­ geführt ist,
• b) der Motor (4) des Luftförderorgans (7) über einen fre­ quenz- und/oder spannungsregelnden Umformer (11 b) Um­ richter, gesteuerter Gleichschalter mit elektrischer Energie versorgbar ist,
• c) für die elektrische Energieversorgung des Umformers (11 b) ein frequenzvariabler Generator (5, Dreh- oder Wechsel- stromgenerator) vorgeschaltet und dieser vom Verbrennungsmotor (1) antreibbar ist,
• d) im Ansaugstutzen (10) vor der in die Vermischung mün­ denden Kammer (9) eine Meßsonde (12) für die Erfassung mindestens eines Parameters vorgesehen ist, hingegen für die Erfassung weiterer Parameter zur Optimierung des Füllungsgrades (21) der Verbrennungskammer, insbe­ sondere entsprechend dem jeweiligen Fülltakt, weitere Signalaufnehmer, so etwa für Druck, Temperatur, Luft­ feuchte, Luftdichte, Gaspedalstellung u.a., als weitere Sonden (12) der Prozeßregelung (11 a) zugeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichent, daß die Prozeßregelung (11 a) als ein elektrischer Regler aus­ geführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Generator (5) zusätzlich zur Energieversorgung von Um­ former (11 b) und Motor (4) auch die elektrische Versor­ gung des Bordnetztes der Brennkraftmaschinen (1) und/oder des Fahrzeuges aufgeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (4 Dreh- und Wechselstrommotor) für das Luft­ förderorgan (7) als ein spannungs- und/oder frequenzge­ steuerter bzw. geregelter Mittelfrequenzmotor ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (4) für das Luftförderorgan (7) als ein span­ nungsgeregelter Gleichstrommotor ausgeführt ist.